Üç boyutlu Poly(ε-caprolactone) İskele kontrol edilebilir türleri morfoloji ile Electrospinning yazma doku mühendisliği uygulamaları için erime

Bu eğitim videosu, doğrudan yazma modunda polimer eriyikleri ile elektrospinning üzerine düşünür ve iyi düzenlenmiş mimarilere sahip iskeleler üretmek için gerekli yönergeleri sağlar. Elektroeğirme, viskoz bir polimerin bir delikten ekstrüde edildiği, bir elektrik alanının uygulanmasının bir jetin yükselişini tetiklediği bir polimer işleme tekniğini ifade eder. Elektrostatik kuvvetler, fiberi zıt yüklü veya topraklanmış bir kollektöre doğru hızlandırır.

Gerekli bir viskozite seviyesine ulaşmak için, polimerler geleneksel olarak çözücüler içinde sıvılaştırıldı. Bunlar, elektrik alanı ile birlikte liflerin güçlü bir şekilde bükülmesine neden olan uçuş aşaması sırasında buharlaşır. Bu, morfolojik özelliklerinin kontrol edilmesi, karakterize edilmesi ve çoğaltılması zor olan polimerik iskelelerle sonuçlanır.

Bu deney, polimer eriyikleri ile elektrospinning göstermektedir. Çözünmek yerine, işlenmemiş polimerlere ısı uygulanarak gerekli viskozite seviyesine ulaşılır. Çözücü eksikliği, polimerin makromoleküler dolaşıklığını iyileştirir ve daha kararlı bir lif uçuş yolu ile sonuçlanır.

Mikron ölçekli lifler, kollektörün hareketine göre doğru bir şekilde biriktirilebilir. Doğrudan yazma modunda polimer eriyikleri ile elektroeğirme, mikron ve hatta nano ölçeğe kadar iyi düzenlenmiş iskele mimarilerinin üretilmesine olanak tanır. Teknolojinin, doku mühendisliği ve rejeneratif tıbbın geleceğinde kilit bir rol oynayacağını öngörüyoruz.

Teknoloji, geleneksel elyaf şekillendirme süreçleri ile 3D baskı ilkeleri arasında uzun zamandır beklenen bir boşluğu dolduruyor ve yeni nesil iskeleleri tasarlamak için yeni yollar açıyor. Mikro elektrospinning yazımı, polikaprolakton veya PCL gibi tıbbi sınıf plastiklerin doğrudan işlenmesini kolaylaştırır. Küçük çapları, son derece organize yapıları ve gözenekliliği nedeniyle, eriyik elektrospun PCL iskeleleri, in vitro ve in vivo olarak bunun için ideal yapılardır.

Değerli sonuçlarla etkili bir piroliz elde etmek için en önemli ön koşullardan biri, son derece işlevsel bir yazılım ve donanımdır. Bu nedenle, otomatik çevre kontrolüne sahip tam entegre bir sistem tasarladık. Bu, kullanıcıların gereksinimlerini yeterince karşılamak için güvenilir ve özel olarak tekrarlanabilir bir iskele üretimini kolaylaştırır.

Eriyik elektrospin yazımı, farklı mimarilere sahip iskelelerin üretilmesini içerir. Aşağıdaki eğitimde malzeme hazırlama, iskele üretimi, fiber çapı ayarı ve jetlerin optimizasyonu açıklanmaktadır. Üç mililitrelik plastik bir şırıngaya iki gram PCL doldurun ve pistonu yavaşça içeri itin.

Şırıngayı önceden ısıtılmış bir fırına 65 derecede sekiz saat boyunca yerleştirin. Sıkışan tüm hava kabarcıkları giderilene kadar pistonu dikkatlice sıkın. 23ga'lık bir iğne bağlayın ve hava basıncı sistemine takın.

İğne ucu pirinç tencereden çıkana kadar aşağı doğru bastırın. Kollektörü sahneye takın. Monte edin ve %70 etanol ile temizleyin.

G kodunu iskelenin boyutunu, uzamsal fiber mesafesini ve katman sayısını değiştirecek şekilde programlayarak kollektör hareketinin hızını ve yönünü belirleyin. Borulu iskeleler için, iskelenin kalınlığını tanımlamak için dönme hızını, öteleme hızını ve tekrarlarını seçin. Düz veya boru şeklindeki iskeleler için G kodlarını ayrı ayrı programlamak için ayrıntılı bir kılavuz el yazmasında bulunabilir.

Mach3 yazılımını açın ve oluşturulan G kodunu yükleyin. Ortaya çıkan iskelenin kalitesini önemli ölçüde belirleyen beş ayarlanabilir sistem parametresi vardır. Bunlar hava basıncı, voltaj, toplama hızı, sıcaklık ve çalışma mesafesidir ve aşağıdaki sırayla ayarlanmalıdır.

Çalışma mesafesini ayarlamak için iğne ve kollektör arasına 12 milimetre yüksekliğinde 3D baskılı bir plastik blok yerleştirin. Her iki ısıtıcıyı da açın ve üst kısım için 65 dereceye ve alt kısım için 82 dereceye ayarlayın. Hava basıncını başlatın ve erimiş polimer iğneden ekstrüde olana kadar bekleyin.

İşleme başlamadan önce tüm topraklama kablolarının sıkıca bağlandığından emin olun. Kilidi birbirine bağlayan muhafazanın ön kapısını kapatın. Ekstrüde eriyik bir Taylor konisine dönüşene ve kollektöre doğru erimiş bir jet çıkarana kadar voltajı artırın.

Jetiği stabilize etmek için polimer eriyiğinin hareketsiz kolektör plakası üzerinde beş dakika ekstrüde edilmesine izin verin. Polimer eriyikleri ile elektro eğirme, farklı elyaf çaplarının üretilmesine izin verir. Bu, mesafe ve sıcaklığı sabit bir seviyede tutarken, sistem parametreleri basınç, voltaj ve hızın özel olarak değiştirilmesiyle elde edilebilir.

Üç ila 10 mikron arasındaki küçük çaplı elyaflar, nispeten düşük basınç, küçük ila orta elektrik alanı ve yüksek toplama hızları uygulanarak basılabilir. Laboratuvarımızdaki deneyime dayanarak, aşağıdaki değerlere sahip dört mikrometre çapında fiber basabiliriz: 0.9 bar, sekiz kilovolt ve dakikada 1.700 milimetre. 10 ila 20 mikron arasındaki orta büyüklükteki çaplar, nispeten düşük basınç seviyesi, orta ila yüksek voltaj ve orta aralıkta toplama hızları uygulanarak basılabilir.

Laboratuvarımızdaki deneyime dayanarak, aşağıdaki değerlere sahip 13 mikrometre çapında fiberler basabiliriz: 1,5 bar, 11 kilovolt ve dakikada 1.200 milimetre. 20 ila 30 mikron veya daha fazla aralıktaki elyaflar, nispeten yüksek voltajların ve mümkün olan en düşük toplama hızlarının uygulanmasının yanı sıra büyük polimer ekstrüzyon oranları gerektirir. Laboratuvarımızdaki deneyime dayanarak, aşağıdaki değerlere sahip 25 mikrometre çapında fiberler basabiliriz: 2,6 bar, 12 kilovolt ve dakikada 700 milimetre.

Bununla birlikte, her üç durumda da, homojen çaplarda kararlı sonuçlar elde etmek için ince ayar ve optimizasyon gerekecektir. Eriyik elektro eğirmede, polimer kütlesinin akışını belirleyen kuvvetler ile jeti kollektöre doğru çeken kuvvetler arasında yalnızca mükemmel dengelenmiş bir denge, sonunda tutarlı iskele morfolojilerine yol açacaktır. Fiberin uçuş yolu uzun bir süre boyunca bir katener eğrisine benzediğinde iyi dengelenmiş bir denge elde edilir.

Bununla birlikte, üç farklı sapma davranışı bilinmektedir. İlk olarak, Taylor konisine iletilen kütle ile lifler üzerindeki ilgili sürükleme kuvvetleri arasındaki dengesiz bir dağılım, kararsız bir elektrikli jet ile sonuçlanır. Burada Taylor konisi sürekli olarak polimer ile aşırı beslenir ve kütlesini sık sık zaman dilimlerinde serbest bırakır.

Sık sık değişen açılar görülebilir ve son derece farklı çaplara neden olur. İşlemi yeniden stabilize etmek için, polimer dağıtımını en aza indirmek için akış hızını azaltın ve elyaf üzerindeki çekme kuvvetlerini yükseltmek için hızı ve voltajı artırın. İkinci olarak, lif aşağı doğru hareket eder ve kollektör üzerinde dik olarak birikir.

Bu vesileyle, ivme kuvvetlerinin miktarı Taylor konisindeki polimer arzını aşar. Basıncın hafif bir şekilde artması ve voltajın düşürülmesi durumu çözer veya toplama hızını değiştirir. Üçüncüsü, lif geride kalır ve yüksek açı altında düz bir çizgiye benzer.

Bu vesile ile nispeten kalın lifler üretilir ve sürüklenir. Bu, biriken liflerin yanlışlıklarının artmasına yol açar. Toplama hızındaki bir azalma sorunu çözecektir.

Bununla birlikte, elektriksel alan kuvvetinde hafif artışlara ihtiyaç vardır. Eriyik elektroeğirmede iki toplama yöntemi vardır: düz kollektörler ve mandrel kollektörler. Düz kollektörlerin uygulanması en yaygın yöntemi ifade eder.

090 ve 060 derece boyutlarında farklı büyüklükteki yapılar literatürde yaygın olarak bildirilmektedir. Erimiş liflerin doğrudan kollektör üzerine bırakılması yeteneği, tekrarlayan dairesel yapılar gibi doğrusal olmayan yapıların üretimini de kolaylaştırır. Boru şeklindeki mimariler, iğneye paralel olarak dönen ve hareket eden silindirik kollektörler ile elde edilebilir.

Hem dönme hem de öteleme hızının kod çözmesinin ince ayarlanması sayesinde, fiberlerin yönü değiştirilebilir. Translasyon hızlarından daha yüksek dönme hızları, radyal olarak yönlendirilmiş gözeneklere yol açar ve bunun tersi de geçerlidir. Tüpün çapı, uygulanan mandrelin çapına bağlıdır.

Farklı iskele mimarilerinin ayrıntılı bir listesi ve yayınlanmış çalışmalarda önerilen uygulamaları el yazmasında bulunabilir. Son derece hassas elektrik alanı ve iki elektrot arasındaki mesafeye özel bağımlılığı nedeniyle, hem toplama aşamasının hem de baskı kafasının alt tarafının düzenli olarak dengelenmesi büyük önem taşır. Kollektör ile kafa arasındaki mesafe çok yakın ayarlanırsa, bileşenler arasında bir kıvılcım çıkana kadar elektrik alanı önemli ölçüde artar.

Elektrik kontrol kutusundaki voltajı hemen azaltın veya kapıyı açın. Bir işlemin her başlangıcından önce, tüm kablo bağlantılarını iki kez kontrol edin ve gevşek olmadıklarından emin olun. Herhangi bir iğne hasarı, potansiyel olarak deforme olmuş Taylor konilerine ve dolayısıyla baskıda düzensizliklere yol açar.

Bu nedenle, ucun yanlışlıkla büküldüğü iğneler atılmalıdır. Umarız bu video, stabil bir elektrikli jetin kurulmasına yardımcı olur ve siz de bizim gibi, eriyik elektrospinning yazımının doku mühendisliği ve rejeneratif tıp alanında önemli bir rol oynayacağına ikna olursunuz.